Научный архив: статьи

Выбор материала чувствительного элемента неохлаждаемой микроболометрический матрицы в значительной степени определяет ее предельные параметры. В статье представлены результаты исследований сэндвичных и плоскостных болометрических структур на основе пленок аSi: Н и VO2, соответственно. Пленки аSi: Н изготовлены методом плазмохимического газофазного осаждения, пленки VO2 методом реактивного магнетронного ионно-плазменного распыления. Сэндвичные структуры при площади 100х100 мкм имеют сопротивление ~20 кОм и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) >2 %/К при 25°С. Плоскостные структуры с рабочим участком 100х70 мкм при том же сопротивлении имеют ТКС 2,9 %/К. Найдены способы снижения контактного шума тех и других структур. Сэндвичи, построенные в виде оптических резонаторов, поглощают 80 % излучения на длине волны 8 мкм. Показано, что может быть достигнуто поглощение плоскостных структур 50—80 % в полосе 8,5—10 мкм.

Рассмотрена эволюция основного узла оптико-акустического преобразователя датчика давления. Показан последовательный переход от мембранного датчика давления с жестким закреплением мембраны по контуру, приводящему к неконтролируемым механическим напряжениям и изменениям основных метрологических параметров к кантилеверным датчикам давления, у которых закрепляется лишь одна из сторон, что приводит к увеличению чувствительности более чем в 140 раз. Показано, что путем химического травления на мембранной фольге четырех Г-образных узких сквозных пазов в одном технологическом цикле могут быть сформированы полностью свободный от деформаций центральный мембранный элемент квадратной формы и четырехточечный угловой эластичный подвес в виде четырех узких упругих сенсорных элементов, расположенных вдоль боковых сторон недеформируемого мембранного элемента жестко закрепленных на опорном контуре.

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по влиянию динамического диапазона на точность измерения функции рассеяния точки (ФРТ) оптических систем. Показано, что для корректного измерения ФРТ и расчета на ее основе пятна рассеяния по заданному уровню концентрации энергии необходимо использование фотоприемных устройств ФПУ, обеспечивающих реальный динамический диапазон при оцифровке не менее 14 бит.

В работе представлены результаты исследования влияния вакуумного отжига на микроструктуру, фазовый состав и электрофизические свойства пленок VOX, полученных методом реактивного магнетронного осаждения. Исследование кристаллической структуры и фазового состава проводилось методом рентгеноструктурного анализа в геометрии параллельного пучка. Определение электрофизических свойств пленок VOX было проведено с помощью метода длинной линии. Было установлено, что вакуумный отжиг осажденных при комнатной температуре пленок VOX, имеющих рентгено-аморфную структуру, сопровождается снижением содержания кислорода, приводящим к уменьшению сопротивления и ТКС с сохранением аморфной структуры при 200 оС и образованием кристаллических фаз VO2 и V4O7 при 300 оС и 400 оС соответственно.

Приведен обзор приемников излучения терагерцового диапазона. Отмечается, что терагерцовое излучение обладает большой проникающей способностью. Однако отсутствие источников и чувствительных детекторов терагерцового излучения в течение многих лет сдерживало исследования в этой области. В работе рассмотрены различные аспекты применения терагерцового излучения, а также основные виды и типы приемников этого излучения. Проведен анализ фотонных и тепловых приемников. Приведены подробные сведения о терагерцовых приемниках на основе ячеек Голея. Отмечается, что в настоящее время наблюдается резкая активизация исследований по созданию матричных детекторов с ячейками Голея. Для многих применений, таких как спектральное и многоцветное тепловидение, тепловые детекторы более применимы по сравнению с охлаждаемыми фотонными детекторами.

Рассмотрено развитие неохлаждаемых многоэлементных приемников излучения на основе оптико-акустических преобразователей от первого в истории техники матричного приемника Голея до современных конструктивных решений, включающих применение графеновых разделительных мембран. Проведены обобщенные расчеты чувствительности мембран, выполненных на основе графенов и традиционных материалов, таких как полиметилметакрилат и нитрид кремния. Анализируется перспективность применения однослойного графена (SLG – single-layer graphene), как наиболее перспективного материала для выполнения мембран. Показано, что гексатриграфен С63(6) является идеальным материалом для изготовления гибкой мембраны из-за его атомной толщины, высокой прочности, газонепроницаемости и высокой электропроводности. Показано, что повышение чувствительности оптоакустических приемников излучения (ОАПИ) при изготовлении мембран из графенов позволяет конструировать матричные системы с малыми диаметрами мембран при сохранении метрологических параметров однокамерных ОАПИ приборов. Рассмотрена конструкция матричного оптико-акустического приемник ТГц излучения предельной чувствительности, в которой используется перфорированный SLG графен.

Рассмотрено влияние параметров гибкой разделительной мембраны на порог чувствительности оптико-акустического приемника излучения ИК и ТГц диапазонов. Проведены обобщенные расчеты чувствительности мембран, выполненных на основе традиционных материалов: серебро, полиметилметакрилат, нитрид кремния. Анализируется перспективность применения однослойного графена, как наиболее перспективного материала для создания мембран. Показано, что графен является идеальным материалом для изготовления гибкой мембраны из-за его атомной толщины, высокой прочности, газонепроницаемости и высокой электропроводности. Представлены обобщенные расчеты чувствительности мембран из классического графена и его аллотропных модификаций. Показано, что повышение чувствительности при изготовлении мембран из классического графена составляет порядка 9 000, а из гексатриграфена порядка 300 000 по сравнению с наиболее чувствительными мембранами из полиметилметакрилата. Показано, что высокая прозрачность и высокая электропроводность графена являются решающими для выбора схемы приемник Хейса с динамическим конденсатором.

Рассмотрены перспективы применения однослойного графена при конструировании оптико-акустических преобразователей (ОАП) нового поколения. Показано, что предельные характеристики преобразователей с мембранами из однослойного графена могут быть получены только в ОАП, построенных по схеме Хейса. Рассмотрены основные характеристики мембран – основных элементов ОАП, проанализированы физические свойства графена, как наиболее предпочтительного материала для мембран. Проведены оценки, показывающие, что применение мембран из SLG-графенов позволяет создавать приемники ИК- и ТГц-излучения с ячейками порядка десятков микрон, имеющими предельно высокую чувствительность. Для достижения предельной чув-ствительности предложено выполнение краевой перфорации графеновых мембран. Предложена новая конструктивная схема неохлаждаемых гелий-графеновых оптико-акустических приемников, обладающих теоретически предельными чувствительностью и быстродействием и расширенным до гелиевых температур рабочим диапазоном. Изложенные технические решения могут быть положены в основу конструирования неохлаждаемых мегапиксельных матричных ОАП для регистрации ИК- и ТГц-изображений.

Представлен обзорно-аналитический материал по инфракрасным источникам излучения на примерах моделей абсолютно черного тела (АЧТ). Рассмотрены вопросы появления понятия абсолютно черного тела с первых работ Кирхгофа. Отмечены уникальные свойства моделей АЧТ, связанные с тем, что все спектральные радиационные характеристики определяются только температурой и не зависят от других параметров системы, а также то, что все спектральные распределения для АЧТ соответствуют максимально возможному тепловому излучению при заданной температуре. Рассмотрены полостные модели излучающей поверхности, особенности нагрева излучателей, модели АЧТ на температурах фазовых переходов, модели АЧТ с жидкометаллической тепловой трубой, протяженные модели АЧТ. Представлены требования к параметрам излучения АЧТ для аппаратуры космических систем, метрологической аппаратуры, имитационно-моделирующих инфракрасных стендов.

В представленном исследовании подробно описан процесс разработки современной установки для проведения спектральных методов анализа на основе широко используемого фотометра КФК-3. В работе уделено особое внимание схемам подключения прибора к персональному компьютеру, а также разработанному программному обеспечению, которое позволяет существенно расширить функциональные возможности фотометра КФК-3. Благодаря внедрению этого программного обеспечения стало возможным не только частично автоматизировать процесс анализа получаемых спектров, но и обеспечить их удобную передачу в сторонние системы для более глубокого и разностороннего анализа данных. Кроме того, в работе детально описан процесс модификации самого фотометра, направленный на обеспечение возможности его полного управления через ПК. Это включает в себя как аппаратные изменения, так и разработку соответствующих протоколов передачи данных между компьютером и контроллером, который предлагается использовать в качестве управляемого блока для фотометра. Описаны принципы работы программного обеспечения, алгоритмы взаимодействия между компонентами системы, а также проведен анализ эффективности и надежности предложенного решения. Проведенные испытания показали значительное повышение точности и скорости проведения спектрального анализа по сравнению с исходной моделью фотометра. Разработанная система обладает высокой степенью гибкости и может быть легко адаптирована под различные требования и задачи лабораторных исследований. Предлагаемое решение имеет большой потенциал для использования в научных и промышленных целях, где требуется высокая точность и автоматизация процессов спектрального анализа. Таким образом, модернизация фотометра КФК-3 и разработка сопутствующего программного обеспечения открывают новые возможности для исследований в области спектроскопии и аналитической химии.

Рассмотрены история изобретения и развития газового термометра и появления на его основе оптико-акустических приемников (ОАП), начиная с первых работ Белла, Хейса, Голея и до настоящего времени. Отмечены преимущества ОАП, заключающиеся в постоянной и высокой чувствительности в широкой области спектра и наивысшей среди тепловых приемников обнаружительной способности. Рассмотрены основные характеристики мембран – основных элементов ОАП, проанализированы физические свойства графена как наиболее предпочтительного материала для мембран. Проведены оценки, показывающие, что применение мембран из SLG-графенов позволяет создавать приемники ИК- и ТГЦ-излучения с ячейками порядка десятков микрон, имеющими предельно высокую чувствительность. Предложена новая конструктивная схема неохлаждаемых матричных гелий-графеновых оптико-акустических приемников, обладающих теоретически предельными чувствительностью и быстродействием и расширенным до гелиевых температур рабочим диапазоном.

Оптико-акустические приемники (ОАП) излучения имеют эквивалентную мощность шума (NEP) 1,410-10 Вт/Гц1/2 в спектральном диапазоне 0,3–10000 мкм и не требуют вакуумирования и термостабилизации. Диапазон исследуемых с помощью ОАП сигналов охватывает как постоянные потоки ИК- и ТГц-излучения мощностью до 10-11 Ватт, изменения температуры на 10-6–10-7 K, так и фемтосекундные тераваттные лазерные импульсы. Основным недостатком ОАП является сверхчувствительность к вибрациям. Показано, что гибкая мембрана, выполняющая роль датчика давления, одновременно является акселерометром в котором сила, действующая на мембрану определяется её инерционной массой. Так как однослойный графен (SLG) является самым легким конструкционным материалом с поверхностной плотностью 0,7710-7 г/см2, использование гибкой мембраны из SLG обеспечивает снижение восприимчивости ОАП к акустическим и вибрационным шумам более чем на три порядка без применения каких либо устройств виброзащиты.